Управляем микроклиматом в загородном доме автоматически

Что имеем:
Двухэтажный таунхаус, предназначенный для круглогодичного проживания
Централизованное электроснабжение (как всегда в загородных домах, очень нестабильное)
Централизованное холодное водоснабжение
Централизованное газоснабжение
Газовый отопительный котел Protherm Gepard
Что хотим получить
Возможность удаленного мониторинга микроклимата в доме (чтобы на душе было спокойно в случае долгого отсутствия)
Возможность удаленного управления этим самым микроклиматом (уменьшить температуру обогрева с целью экономии газа, увеличить температуру перед возвращением домой)
Возможность удаленного снятия показаний счетчиков ресурсов, подлежащих оплате (счетчика расчета газа, воды и электроэнергии)
Стоимость устанавливаемого оборудования должна быть экономичная
Стоимость эксплуатации системы должна быть минимальная
Рассматривать варианты я начал с последнего пункта («минимальные эксплуатационные расходы»). Ибо и так приходится платить за уборку территории, воду, газ и электричество. Соответственно, для целей удаленного мониторинга и управления есть два основных решения:
Управление и мониторинг реализованы при помощи SMS-сообщений
Положительные стороны
Достаточно хорошая помехозащищенность (при нестабильном покрытии попытки доставки SMS будут производиться автоматически средствами оператора связи и/или абонентского устройства)
Возможность мониторинга и управления с любого мобильного телефона
Наличие готовых решений (от описания возможных реализаций, до имеющихся в продаже готовых устройств)
Отрицательные стороны
Достаточно высокая стоимость обмена данными (даже в случае использования предоплаченных пакетов SMS)
Ограниченный размер информационной посылки (при необходимости обмена большим количеством данных скорость обмена падает, а стоимость трафика значительно увеличивается)
Управление и мониторинг реализованы через сеть Интернет
Положительные стороны
Низкая (а в некоторых случаях и нулевая) стоимость обмена данными
Значительно больший возможный размер информационной посылки
Возможность обмена сравнительно большими объемами данных, что улучшает разрешающую способность мониторинговых систем
Небольшое число предлагаемых готовых решений (большинство из которых, к тому же, требует наличия постоянного публичного IP-адреса для обеспечения возможности доступа к устройству из внешнего мира)
Отрицательные стороны
Для мониторинга и управления необходим доступ к сети Интернет
В связи с особенностями услуги «Мобильный интернет» у наших операторов (нет возможности получить статический public IP адрес для мобильного устройства по вменяемым ценам) необходимо наличие сервера, на котором будет осуществляться сбор информации с удаленных устройств
В случае нестабильного покрытия задача гарантированной доставки данных ложится на программное обеспечение
После изучения найденных на просторах Интернета решений я понял, что ни одно из них меня не устраивает (даже с точки зрения эксплуатационных расходов. Не говоря уже о стоимости самого оборудования). Поэтому будем делать все с нуля. Ладно, не совсем с нуля: у меня есть свободный сервер, который доступен в сети Интернет в режиме 24x7. Ну и все.
Реализация: передача данных и команд управления
Проанализировав предложения «большой тройки» (как для частных лиц, так и M2M), я остановился на мобильном интернете от «Мегафон» с опцией «Интернет планшет». В ней, в отличии от МТС, нет ограничений на использование «только на планшетах», а 20Мб ежедневного включенного бесплатного трафика для телеметрии более чем достаточно. Так как я использую устройство для собственных нужд в качестве физического лица, то никакие явно описанные условия и ограничения оператора не нарушаются.
Итак, в интернет-магазине приобретен USB-модем от оператора, соответствующим образом изменен тарифный план и подключена требуемая опция.
Реализация: управляющий контроллер
Должен быть миниатюрным, стабильно работающим, не требующим внешнего охлаждения, допускать установку ОС Linux (чтобы по максимуму использовать готовые решения, а не изобретать велосипед по каждому случаю), иметь некоторое количество программно управляемых входов/выходов и, как минимум, один порт USB, поддерживающий режим хоста (для подключения USB-модема).
Самым дешевым вариантом оказалось использовать Banana PI, хотя можно взять и ее функциональный прототип Raspberry Pi. Просто Banana в тот момент была доступна за меньшие деньги.
Вот что получилось в итоге (без схемы сопряжения с газовым котлом)
(картинка 1)
Реализация: датчики
Мне хотелось иметь информацию о микроклимате во всем доме (2 этажа), соответственно было приобретено 5 цифровых термометров DS18B20. Их размещение: стена на 1-м этаже (температура воздуха на 1-м этаже), батарея на 1-м этаже (температура теплоносителя на 1-м этаже), стена на 2-м этаже и батарея на 2-м этаже (воздух и теплоноситель на 2-м этаже), один датчик вынесен наружу подальше от окон и дверей (чтобы получать информацию о реальной температуре на улице). Все датчики вешаются на одну двухпроводную (в моем случае еще и экранированную) шину. У меня длина кабеля получилась чуть более 20 метров, при этом все датчики работают стабильно и без сбоев.
Для учета расхода газа (мне повезло — у меня установлен газовый счетчик со встроенным магнитом), был использован датчик холла (подробнее см. в соответствующей статье).
Для расширения функционала до встроенной погодной станции был также приобретен датчик атмосферного давления.
Для будущего развития (реализация алгоритмов отопления, использующих понятие «точка росы») был приобретен датчик относительной влажности воздуха, но он пока не используется.
Реализация: управление котлом (теория)
Ох уж этот котел! Ну да, начал я с реализации наблюдения за микроклиматом, а в результате захотелось еще и им управлять. Мой котел поддерживает управление двух видов: «включил/выключил» (если «включил» — будем греть воду до температуры, заданной на консоли котла. Если «выключил» — ничего греть не будем) и цифровое по шине eBus. Последнее является (немецкой) разработкой для управления домашним климатическим оборудованием, но конкретная реализация очень сильно зависит от производителя техники. Для своего котла в продаже я нашел только одно оригинальное устройство-терморегулятор, но оно работает исключительно в автономном режиме что, фактически, ничем не полезнее, чем управлять котлом через его консоль.
После некоторого изучения имеющейся в Интернет информации удалось выкопать некоторые обрывки протокола управления, полученные энтузиастами путем reverse engineering. Я не стал действовать так жестко, как автор этой статьи, но все-таки в результате мне удалось не только поговорить с котлом по душам, но и заставить его выполнять мои команды так, как если бы их выдавал оригинальный терморегулятор. Однако все равно большое спасибо первопроходцам, глядя на которых я понял, что в этой жизни нет ничего невозможного!
Реализация: управление котлом (практика)
Итак, котлом будем управлять по шине eBus. Готовые адаптеры для шины стоят невменяемых денег (да, к тому же, доступны только «под заказ». А зима приближалась, систему надо запускать!), поэтому пришлось вспомнить молодость (и свое увлечение радиотехникой) и разработать собственную схему сопряжения. С гальванической развязкой (ибо память о сгоревшем из-за неисправного блока питания компьютере была еще свежа, а иметь на руках газовый котел со сгоревшей платой управления перед зимой мне не очень улыбалось). Схема пока собрана на макетной плате, но уже доказала свою стабильную работоспособность.
Интерфейсный блок на макетной плате
(картинка 2)
Реализация: программное обеспечение
Оригинальная разработка (как серверная часть, так и «прошивка управляющего контроллера»). Для системы визуализации данных (пока) используется бесплатная система мониторинга Zabbix, но планируется все-таки сделать специализированное приложение. Вообще программное обеспечение поддерживает модульную организацию аппаратной части: что в контроллере установлено, то и будет обслуживаться. Нужна вам погодная станция (установили соответствующий модуль) — получите информацию об атмосферном давлении. Нужно вам управление газовым котлом (установили модуль с реле или интерфейс eBus) — сможете им управлять (иначе только наблюдайте за обстановкой в доме). Есть у вас собственный канал Интернет — тогда USB-модем вам не нужен, просто подключите устройство к вашему роутеру при помощи ethernet-кабеля.
Результаты
На новогодние праздники мы с женой уезжали достаточно далеко от нашего дома, но имели возможность в любой момент проконтролировать его состояние. И, в случае необходимости, изменить параметры микроклимата (несколько раз этим пришлось воспользоваться при значительном изменении внешней температуры воздуха, ниже -15C). Во всяком случае заморозки системы отопления не произошло (несмотря на неоднократные перебои с электроснабжением поселка), растущие в доме цветы не замерзли, и газа для отопления мы сожгли не так уж и много. Кстати, значения газового счетчика с точки зрения программы и реальные за два месяца эксплуатации совпали полностью, поэтому платежки по газу можно заполнять даже не посещая свой дом.
Общий вид работающего устройства
(картинка 3)
(внизу — стабилизатор напряжения для газового котла, на него можно не обращать внимания)